(57)【要約】【課題】ガス拡散性と保水性および排水性を向上した固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜２の両面に触媒層３、４を有し、各触媒層３、４の上には、反応ガスが拡散して透過するガス拡散層５、６をそれぞれ有したセルに対し、一方側に、アノードガス拡散層５に沿ってアノードガスが流通するアノードガス流路７を備え、もう一方側に、カソードガス拡散層６に沿ってカソードガスが流通するカソードガス流路８を備える。カソードガス拡散層６には、カソードガス流路８に対峙する面６ａに沿って、カソードガス拡散層６を構成する基材１１に比較して空孔径の小さい保水・排水部１２を備え、カソードガス拡散層６のカソードガス流路８に対峙する面６ａを空孔径の小さい保水・排水部１２と、これよりも空孔径の大きい拡散部１３ａとから構成する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜の両面に触媒層を有し、各触媒層に面して、反応ガスが拡散して透過するガス拡散層をそれぞれ配し、
さらにその一方側に、前記ガス拡散層に沿って反応ガスである燃料ガスが流通するガス流路を備え、もう一方側に、前記ガス拡散層に沿って反応ガスである酸化剤ガスが流通するガス流路を備える燃料電池において、
前記ガス拡散層のうち少なくとも一方には、前記ガス流路に対峙する面に沿って、その一部に前記ガス拡散層を構成する基材に比較して空孔径の小さい保水・排水部を備え、前記ガス拡散層の前記ガス流路に対峙する面を空孔径の小さい前記保水・排水部とこれによりも空孔径の大きい拡散部とから構成することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記ガス拡散層の前記触媒層に対峙する面側を、前記拡散部により構成する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記ガス拡散層の、前記ガス流路の少なくとも一部が対向する領域に、前記拡散部を構成する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記ガス拡散層の、前記ガス流路に対峙する面には、前記保水・排水部と前記拡散部を交互に構成する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記保水・排水部を、前記ガス拡散層表面を貫通するように構成する請求項４に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記ガス拡散層の、前記ガス流路の入口直後に対面する領域に前記拡散部を構成し、前記ガス流路の出口直前に対面する領域に前記保水・排水部を構成する請求項４に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記ガス拡散層に隣接して、前記ガス流路を構成する凹部と、前記ガス拡散層に接触する凸部とを有するセパレータを備え、
前記凹部に沿って前記拡散部を構成し、前記凸部に沿って保水・排水部を構成する請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記ガス拡散層の、前記ガス流路に対峙する面側に形成された拡散部に疎水処理を施す請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記ガス拡散層の、前記ガス流路に対峙する面側に形成された拡散部、およびその厚さ方向の延長領域に疎水処理を施す請求項８に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体高分子型燃料電池に関する。特に、固体高分子型燃料電池に用いるガス拡散層の構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の高出力化のためには、電解質膜の適度な保湿およびガス流路からの水の排出が必要である。高加湿および高電流密度運転においては、電解質膜の保湿は十分であるが、カソードで生じる水が電極層に溜まって反応ガスの拡散を妨げる可能性があり、その結果、電極に十分な反応ガスが供給されずに出力が低下する可能性がある。逆に、低加湿および低電流密度運転においては、反応物は水に阻害されることなく電極に十分供給できるが、生成水が少ないため電解質膜が乾いて電池出力が低下する可能性がある。
【０００３】
そこで、従来の燃料電池として、撥水性のガス拡散層表面に、さらに撥水剤を分布させることにより、保水性を維持するとともに水の流動性および排水性を向上させ、フラッディングを抑制しているものが知られている（例えば、特許文献１、参照）。また、ガス拡散層の基材であるカーボンクロス表面にカーボン粉末を充填したものが知られている（例えば、特許文献２、参照。）。
【特許文献１】特開２００３−１３２８９８号公報
【特許文献２】特開２００１−８５０１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特開２００３−１３２８９８号公報においては、撥水部で水の保持が可能となり電解質膜のドライアウトを抑制することができるが、その他の部位で水の排出およびガスの拡散を行わなければならない。そのため、排水とガス拡散が同一領域で行われ、ガス拡散が水の排出に妨げられて出力の低下が生じる可能性がある。
【０００５】
また、特開２００１−８５０１９号公報においては、カーボンクロスの表面にカーボン粉末を充填するので、空孔径が小さくなるため保水効果が向上する効果が考えられるが、電極面全体を覆っているためガス拡散性が低下してしまう。また、排水とガス拡散を行う領域が明確に分けられていないため、ガス拡散が水の排出に阻害されて出力の低下が生じる可能性がある。
【０００６】
そこで本発明は上記問題を鑑みて、ガス拡散性と保水性および排水性を向上した固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、高分子電解質膜の両面に触媒層を有し、各触媒層に面して、反応ガスが拡散して透過するガス拡散層をそれぞれ配し、さらにその一方側に、前記ガス拡散層に沿って反応ガスである燃料ガスが流通するガス流路を備え、もう一方側に、前記ガス拡散層に沿って反応ガスである酸化剤ガスが流通するガス流路を備える燃料電池において、前記ガス拡散層のうち少なくとも一方には、前記ガス流路に対峙する面に沿って、その一部に前記ガス拡散層を構成する基材に比較して空孔径の小さい保水・排水部を備え、前記ガス拡散層の前記ガス流路に対峙する面を空孔径の小さい前記保水・排水部と、これよりも空孔径の大きい拡散部とから構成する。
【発明の効果】
【０００８】
空孔径の小さい保水・排水部において、高分子膜電解質膜の保湿と過剰水の排出を行うことができるとともに、これよりも空孔径の大きな拡散部においてガス拡散を維持することができる。このように、保水・排水部と拡散部を別々に構成することにより、水が存在することによりガス拡散が阻害されるのを避けることができ、ガス拡散性と保水性および排水性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
第１の実施形態に用いる燃料電池１を構成する単位セル１ａの構成を、図１を用いて説明する。燃料電池１は、一つの単位セル１ａから構成してもよいし、複数の単位セル１ａを積層することにより構成してもよい。
【００１０】
固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）２の両主面にＰｔ等の触媒を担持したアノード触媒層３、カソード触媒層４を設ける。また、その外側に、カーボンペーパやカーボンクロス等を基材（１１）としたアノードガス拡散層５、カソードガス拡散層６を設ける。さらにその外側に、アノード側セパレータ９、カソード側セパレータ１０を設ける。
【００１１】
アノード側セパレータ９のアノードガス拡散層５に対峙する面に、水素を含むアノードガスを流通するアノードガス流路７を構成する凹部９ａと、凹部９ａ間に挟まれアノードガス拡散層５に接触する凸部９ｂを備える。アノードガス流路７を流通するアノードガスは、アノードガス拡散層５内に拡散し、アノード触媒層３に達して電気化学反応（Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-）を生じる。また、カソード側セパレータ１０のカソードガス拡散層６に対峙する面に、酸素を含むカソードガスを流通するカソードガス流路８を構成する凹部１０ａと、凹部１０ａ間に挟まれカソードガス拡散層６に接触する凸部１０ｂを備える。カソードガス流路８を流通するカソードガスは、カソードガス拡散層６内に拡散し、カソード触媒層４に達して電気化学反応（１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ）を生じる。これらの電気化学反応を生じることにより化学エネルギを電気エネルギに変換し、発電を行う。
【００１２】
この電気化学反応を生じる際には、カソード触媒層４において水が生成される。高加湿および高電流密度運転時には生成水が過剰となり、カソードガス拡散層６内およびカソードガス流路８に水が溢れ、フラッディング現象による出力低下が生じる可能性がある。また、電解質膜２のプロトン伝導性を維持するためには、電解質膜２を湿潤状態に維持する必要があるのに対し、低加湿および低電流密度運転においては、生成水が少ないため、電解質膜２のドライアウト現象による出力低下が生じる可能性がある。
【００１３】
そこで、このような現象を防ぐために、カソードガス拡散層６を図２のように構成する。（ａ）には、カソード側セパレータ１０に対向する平面６ａを、（ｂ）には断面を示す。
【００１４】
カソードガス拡散層６を、カーボンペーパやカーボンクロスから成る基材１１により構成する。カソードガス拡散層６のカソード側セパレータ１０に接触する面６ａ側に、複数の比較的空孔径が小さい保水・排水部１２を構成する。また、保水・排水部１２の間には、比較的空孔径が大きい拡散部１３ａを構成する。ここでは、市販のブラックカーボンに疎水効果を持つＰＴＥＦ（polytetrafluoroethylene）粉末を混ぜたものを、基材１１の表面をマスキングして塗布することにより保水・排水部１２を構成し、その他の処理を施さない部分を拡散部１３ａとする。
【００１５】
一方、ガス拡散層６のカソード触媒層４に対峙する面６ｂを、比較的空孔径の大きい拡散部１３ｂにより構成する。ここでは拡散部１３ｂを、拡散部１３ａと同様に、基材１１に処理を施さない領域とする。
【００１６】
つまり、カソードガス拡散層６の表面６ａ側に、基材１１に対して空孔径の小さな保水・排水部１２を構成することにより、カソードガス拡散層６を、保水・排水部１２と拡散部１３ａからなる層と、拡散層１３ｂのみからなる層により構成する。ここで、保水・排水部１２の厚さｈは、拡散層１３ｂ内でガスが十分に拡散できる大きさとすることが好ましい。
【００１７】
空孔径が比較的小さい保水・排水部１２では、カソード触媒層４で生成された水を保持し、電解質膜２の保湿を行ってドライアウトを抑制する。また、保水・排水部１２にある程度水が溜まると、毛細管現象により保水・排水部１２内を水が移動して排水が行われ、フラッディング現象を抑制する。つまり、保水・排水部１２は、電解質膜２の保湿および過剰水の排出部として機能する。
【００１８】
一方、拡散部１３ａは、比較的空孔径が大きいため、ガス拡散性を低下することなくカソード触媒層４の反応面にカソードガスを拡散させる。カソードガス拡散層６内の水は保水・排水部１２側に集中する傾向があるので、ガス拡散が水により阻害されるのを避け、良好なガス拡散領域として機能することができる。特に、カソードガス流路８の少なくとも一部が拡散部１３ａに対面するように構成することにより、カソードガス流路８からカソードガス拡散層６内へカソードガスが効率的に拡散する。
【００１９】
ここでは、カソードガス拡散層６のカソード側セパレータ１０に接触する面６ａに沿って、保水・排水部１２と拡散部１３ａを交互に構成する。特に、それぞれの保水・排水部１２が、面６ａを貫通するように構成する。つまり、カソードガス拡散層６の面６ａには、保水・排水部１２と拡散部１３ａとを交互に縞状に形成する。また、カソードガスはカソードガス流路８の入口８ｉから供給されてカソード触媒層４に到達し、触媒上で水に変成する。そのため、図２（ａ）に示すように、カソードガス流路８の入口８ｉから出口８ｏに掛けて、保水・排水部１２と拡散部１３ａを交互に構成する。特に、入口８ｉ直後を拡散部１３ａ、出口８ｏ直前を保水・排出部１２とする。
【００２０】
このように、  カソードガス拡散層６に、カソードガス流路８側の面６ａに沿って、比較的空孔径の小さい保水・排水部１２と、比較的空孔径の大きな拡散部１３を有することにより、水が存在することによりガス拡散が阻害されるのを避け、ガス拡散性と保水性および排水性を向上することができる。
【００２１】
なお、ここでは、比較的空孔径の小さな保水・排水部１２を、カソードガス拡散層６に形成したがこの限りではない。アノードガス拡散層５に形成してもよいし、カソードガス拡散層６およびアノードガス拡散層５それぞれに形成してもよい。ただし、カソード触媒層４側で生成水が生じるので、少なくともカソードガス拡散層６に形成するのが好ましい。
【００２２】
次に、本発明の効果について説明する。
【００２３】
電解質膜２の両面にアノード触媒層３、カソード触媒層４(触媒層３、４)を有し、各触媒層３、４に面して、反応ガスが拡散して透過するアノードガス拡散層５、カソードガス拡散層６（ガス拡散層５、６）をそれぞれ配する。さらにその一方側に、アノードガス拡散層５に沿って反応ガスであるアノードガスが流通するアノードガス流路７を備え、もう一方側に、カソードガス拡散層６に沿って反応ガスであるカソードガスが流通するカソードガス流路８を備える。ガス拡散層５、６のうち少なくとも一方、ここではカソードガス拡散層６には、カソードガス流路８に対峙する面６ａに沿って、その一部にカソードガス拡散層６を構成する基材１１に比較して空孔径の小さい保水・排水部１２を有し、カソードガス拡散層６のカソードガス流路８に対峙する面６ａを空孔径の小さい保水・排水部１２と、これよりも空孔径の大きい拡散部１３ａとから構成する。比較的空孔径の小さい保水・排水部１２において、電解質膜２の保湿と排水を行うことができるとともに、比較的空孔径の大きな拡散部１３ａにおいてガス拡散を維持することができる。このとき、保水・排水部１２と拡散部１３ａが別々に構成されるので、水が存在することによりガス拡散が阻害されるのを避けることができ、ガス拡散性と保水性および排水性を向上することができる。
【００２４】
このとき、カソードガス拡散層６のカソード触媒層４に対峙する面側を、拡散部１３ｂにより構成する。これにより、カソード触媒層４の反応面へのガス拡散性を向上することができる。
【００２５】
なお、ここでは、カソードガス拡散層６を構成する基材１１に対して、保水・排水部１２の空孔径を小さく設定することにより、カソード触媒層４で生じた水がカソードガス拡散層６内を移動して、保水・排水部１２に到達する。その結果、保水・排水部１２以外の領域に存在する水が抑制されるので、保水・排水部１２以外の領域（拡散部１３）におけるガスの拡散性を向上することができる。また、カソードガス拡散層６内の一部分（保水・排水部１２）に水が集中することにより、水の排水性を向上することができる。
【００２６】
また、カソードガス拡散層６の、カソードガス流路８の少なくとも一部が対向する領域に、拡散部１３ａを構成する。これにより、カソードガス流路８を流通するカソードガスを効率的にカソードガス拡散層６内に拡散させることができる。
【００２７】
また、カソードガス拡散層６の、カソードガス流路８に対峙する面６ａには、保水・排水部１２と拡散部１３ａを交互に構成する。このように保水・排水部１２と拡散部１３ａを反応面全体に分配して構成することで、保水および排水とガス拡散を、反応面全体で効率良く行うことができる。ここでは、保水・排水部１２と拡散部１３ａを、カソードガス流路６の流路軸方向に沿って交互に構成し、ガスの流れ方向について、保水・排水機能、およびガス拡散機能を備えている。
【００２８】
このとき、保水・排水部１２を、カソードガス拡散層６の面６ａを貫通するように構成する。これにより、保水・排水部１２で過剰となった水を、拡散部１３ａを介すことなく排出することができるので、さらに拡散部１３ａにおけるガス拡散性を維持することができる。
【００２９】
さらに、カソードガス拡散層６の、カソードガス流路８の入口８ｉ直後に対面する領域に拡散部１３ａを構成し、カソードガス流路８の出口８ｏ直前に対面する領域に保水・排水部１２を構成する。これにより、入口８ｉから導入されたカソードガスが、保水・排水部１２に妨げられることなくカソード触媒層４に到達することができ、また、反応に伴って生成された水をその後流側で保持または排水することができる。
【００３０】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池１を構成する単位セル１ａの概略構成を第１の実施形態と同様とする。図３（ａ）に、カソード側セパレータ１０のカソードガス拡散層６側の平面を、（ｂ）に、カソードガス拡散層６のカソード側セパレータ１０側の平面６ａを示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３１】
カソードガス流路８を、カソード側セパレータ１０に形成した溝状の凹部１０ａにより構成する。ここでは図３（ａ）に示すように、複数の並列した凹部１０ａによりカソードガス流路８を構成する。隣り合う凹部１０ａ間には、凸部１０ｂが形成される。組み立て時には、凸部１０ｂはカソードガス拡散層６に接触する。
【００３２】
一方、カソードガス拡散層６の平面６ａには、カソードガスの流通方向に沿って、保水・排水部１２と拡散部１３ａを形成する。ここでは、カソード側セパレータ１０の凸部１０ｂと接触する部分が保水・排水部１２に、凹部１０ａに対面する部分が拡散部１３ａとなるように構成する。カソードガス流路８に導入されたカソードガスは、ガス拡散性の優れた拡散部１３ａに沿って流通するので、カソードガス流路８からカソードガス拡散層６へのガス拡散性を維持することができる。一方、凸部１０ｂに接触する領域を、ガス拡散性の低い保水・排水部１２としたが、この領域ではガス拡散は比較的必要ないので、全体のガス拡散性を低減することなく、保水・排水部１２を構成することができる。
【００３３】
なお、ここではカソードガス流路８を直線形状としているがこの限りではない。蛇行形状、櫛型形状等、様々な形状に構成することができる。この場合にも、カソードガス拡散層６の、カソードガス流路８を構成する凹部１０ａに対面する領域を拡散部１３ａとし、凸部１０ｂに接触する領域を保水・排水部１２とすることで、本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００３５】
カソードガス拡散層６に隣接して、カソードガス流路８を構成する凹部１０ａと、カソードガス拡散層６に接触する凸部１０ｂとを有するカソード側セパレータ１０を備え、凹部１０ａに沿って拡散部１３ａを構成し、凸部１０ｂに沿って保水・排水部１２を構成する。これにより、カソードガス流路８を流通するカソードガスが、さらに効率良くカソードガス拡散層６内に拡散することができる。
【００３６】
次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池１を構成する単位設１ａの概略構成を第１の実施形態と同様とする。カソードガス拡散層６の構成を図４に示す。図４（ａ）には、カソードガス流路８に対峙する平面６ａを、（ｂ）には断面を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３７】
カソードガス拡散層６の面６ａ側に形成した拡散部１３ａに疎水処理を施す。また、カソードガス拡散層６の拡散部１３ｂについても、拡散部１３ａの厚み方向延長領域について疎水処理を施す。つまり、カソードガス拡散層６を、カソードガス流路８側に形成された保水・排水部１２と疎水処理を施された拡散部１３ａとからなる層と、カソード触媒層４側に形成された疎水処理を施された領域と疎水処理が施されない領域とからなる拡散部１３ｂからなる層とから構成する。なお、基材１１には、例えばＰＴＦＥ溶液を注入することにより疎水処理を施す。
【００３８】
このように、カソードガス流路８に対面する部分とカソード触媒層４に接触する部分との間に、連続的に疎水処理を施した拡散部１３を形成する。これにより、カソードガス流路８からカソード触媒層４にかけて、連続的に水が存在しにくくガス拡散性に優れた拡散部１３を形成することができる。一方、保水・排水部１２の厚さ方向延長領域に形成された拡散部１３には、疎水処理を施さないため、水の移動領域を確保することができる。
【００３９】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００４０】
カソードガス拡散層６の、カソードガス流路８に対峙する面６ａ側に形成された拡散部１３ａに疎水処理を施す。これにより、カソードガス流路８からのカソードガスの拡散をさらに確実にすることができる。特に、カソードガス拡散層６の、カソードガス流路８に対峙する面６ａ側に形成された拡散部１３ａ、およびその厚さ方向の延長領域に疎水処理を施す。これにより、カソードガス拡散層６内に拡散したカソードガスのカソード触媒層４への移動領域をさらに確実に確保することができる。また、疎水処理を施さない領域を、水の移動領域として使用することができるので、保水・排水性を維持することができる。
【００４１】
なお、保水・排水部１２を形成した平面上に混在して形成した拡散部１３ａを、基材１１の一部により構成したが、この限りではない。また、基材１１の一部に、カーボン等を塗布することにより保水・排水部１２を構成したがこの限りではない。例えば、カソードガス拡散層６を構成する基材１１の、カソード側セパレータ１０側の面６ａに、基材１１と略同じ、またはそれ以上に大きい空孔径を有する部材により形成された拡散部１３ａと、ガス拡散拡散基材１１より空孔径が小さい部材により形成された保水・排水部１２とを混在して構成することによりカソードガス拡散層６を構成してもよい。このとき、拡散部１３ｂに対して、拡散部１３ａの空孔径を略同じ、または大きくなるように設定する。
【００４２】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、固体高分子型燃料電池のガス拡散層に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池の単位セルの構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いるカソードガス拡散層の平面および断面図である。
【図３】第２の実施形態に用いるカソード側セパレータ、カソードガス拡散層の平面図である。
【図４】第３の実施形態に用いるカソードガス拡散層の平面および断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１    燃料電池
２    電解質膜（固体高分子電解質膜）
３    アノード触媒層
４    カソード触媒層
５    アノードガス拡散層
６    カソードガス拡散層
６ａ  面（カソードガス流路側の面）
６ｂ  面（カソード触媒層側の面）
７    アノードガス流路
８    カソードガス流路
１０  カソード側セパレータ
１０ａ  凹部
１０ｂ  凸部
１１  基材
１２  保水・排水部
１３  拡散部
【図１】
2005222898.tif 000003
【図２】
2005222898.tif 000004
【図３】
2005222898.tif 000005
【図４】
2005222898.tif 000006